馮婷詩 林敏丹 許展穎 林妙君 陳小梅

（1. 廣州大學 地理科學與遙感學院, 廣東 廣州 510006 ；2.廣州市少年宮，廣東 廣州 510170）

土壤碳通量是生態(tài)系統(tǒng)中有機碳物質對外輸出的主要途徑，是土壤向空氣排放CO2的關鍵一環(huán)節(jié)[1]。全球陸地生態(tài)系統(tǒng)年平均土壤碳排放估算總量為72.6 Pg C[2]，約是年平均燃燒化石能源所釋放碳量的8 倍[3]。土壤CO2釋放研究對估算未來大氣CO2濃度及全球氣候變化具有重要的意義。城市綠地作為城市生態(tài)系統(tǒng)中的重要子系統(tǒng)[4]，對城市及全球的碳平衡起到促進作用。隨著城市化進程加快，城市建設用地面積快速擴張，城市綠地類型越來越豐富，土壤碳通量受到非生物因子和生物因子的綜合影響[5]，其中人類活動影響日益突出[6]。因此，弄清不同綠地類型土壤碳通量特征，對碳中和背景下城市綠地管理具有重要意義。

目前土壤通量研究已在草原、森林、農(nóng)田、濕地、荒漠等幾乎所有陸地生態(tài)系統(tǒng)中進行，主要研究領域涉及土壤碳通量特征及其影響因素[7-9]。近年來，城市綠地土壤CO2通量特征及其影響因素日益受到關注。陶曉等[10]在合肥市四種不同類型城市綠地土壤研究發(fā)現(xiàn)城市綠地土壤呼吸夏季明顯高于冬季，且最高值出現(xiàn)在夏季持續(xù)降雨后。馬莉在寶雞市疏林地和草地土壤中發(fā)現(xiàn)它們土壤表層呼吸日動態(tài)變化為單峰曲線，草地土壤呼吸速率大于疏林地[11]。土壤碳通量主要影響因素是土壤溫度和土壤濕度[12-13]，且土壤碳通量與土壤溫度二者之間存在著顯著的相關關系，以指數(shù)模型[14-15]最為典型。此外，氣候、溫度、降雨量、土壤特性、植被類型等也會影響不同區(qū)域城市綠地土壤碳通量的時空變化特征[11]。城市綠地與自然生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳通量存在較大差別，Schimel等[15]發(fā)現(xiàn)干旱和半干旱地區(qū)的城市化會引起土壤碳通量的下降；羅上華等[16]發(fā)現(xiàn)城市綠地的土壤碳通量比農(nóng)梗土壤和天然土壤更高。前人研究主要集中在北亞熱帶及以北地區(qū)，而南亞熱帶地區(qū)城市綠地土壤碳通量特征的研究相對較少，且不同區(qū)域的土壤碳通量特征研究結果不同，土壤碳通量影響機制仍解釋不清。

因此，本研究以廣州大學城綠地為研究現(xiàn)象，選取公園綠地、道路防護綠地（中環(huán)、外環(huán)）、文教區(qū)綠地、居住區(qū)綠地、生產(chǎn)綠地五種不同功能綠地，探討大學城不同綠地利用類型土壤碳通量的時空變化特征，以期為低碳城市建設提供決策參考。

1 材料與方法

1.1 樣地選取與設置

根據(jù)各功能區(qū)綠地的功能結構、開發(fā)利用現(xiàn)狀以及人類活動強弱[11]，結合實際用地情況，本研究選取公園綠地、道路防護綠地、文教區(qū)綠地、居住區(qū)綠地、生產(chǎn)綠地等5 種功能區(qū)的6 個綠地作為研究樣地（圖1）。其中，公園綠地位于大學城中心湖公園中游客干擾頻率較少的區(qū)域；道路防護綠地設置在大學城中環(huán)道路和外環(huán)道路，中環(huán)道路日常車流量和人流量較外環(huán)大；文教區(qū)綠地位于廣州大學氣象園，此處主要用于科研與教學，受其他因素干擾少；居住區(qū)綠地位于廣州大學菊苑生活區(qū)中的綠化地；生產(chǎn)綠地位于大學城北亭村的農(nóng)用地。在選定的6 個樣地各設置3 個監(jiān)測點并安置PVC 土壤環(huán)，使氣室底座高出土壤表面5 cm 以保證氣室偏移量盡可能準確。為減少對土壤的干擾，觀測期盡量使土壤環(huán)留在原地，而對于不能長期安置土壤環(huán)的樣地，測量前24 h前去安置土壤環(huán)。碳通量觀測時間為2018 年7月—2019 年6 月。

圖1 試驗樣地布局Figure 1 Layout of experimental plots

1.2 樣品采集與處理

2018 年7 月，在上述6 個樣地內(nèi)各隨機布置3 個呈三角形分布的平行樣點，使用內(nèi)徑5 cm 的土鉆隨機采集0～10 cm、10～20 cm 兩個土層的土壤。每個樣地的土壤樣品由3 個樣方同一層次的土壤樣品混合而成，共采集土壤樣品12 個。將所采的新鮮土壤樣品中植物的根系、殘體和易見的土壤小動物等去除，過2 mm 篩并均勻混合，選取三分之一新鮮土壤樣品袋密封，并儲存在4℃的低溫下，以供微生物生物量測定；另外三分之二進行風干，過0.25 mm 篩后袋封保存，以供土壤總有機碳的測定。

1.3 樣品測定與分析

1.3.1 土壤碳通量測定 在觀測期間每月的中下旬無雨的8:30—10:30 時段，采用土壤碳通量自動測量系統(tǒng)（LI-8100A，LI-COR，USA）觀測土壤碳通量，每個測試點每次測定3 次，并選取平均值。在干季與濕季分別選擇無雨的兩天，對每個樣地進行碳通量日變化的測定，每次測定從早晨8:00 時到晚上20:00 時，每2 h 測定一次。每次監(jiān)測之前，先清除土壤環(huán)內(nèi)的凋落物以及新鮮植物的苗體，以減少地表植物釋放出的CO2對測定結果產(chǎn)生的影響，但盡量減少對土壤的干擾。

1.3.2 其他環(huán)境因子的測定 在測定土壤碳通量的同時，使用儀器自帶的土壤濕度、溫度傳感器測定每個樣地的土壤溫度和土壤濕度，并監(jiān)測實驗樣地中的大氣因子，測定時間與測定土壤碳通量的同時。使用便攜氣象追蹤儀（Kestrel4500，USA）測定環(huán)境因子，如大氣溫度、大氣相對濕度、大氣壓強、平均風速等。此外，對有機質的測定采用重鉻酸鉀外加熱法，土壤微生物含量采用磷脂脂肪酸法[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel2019 和SPSS23.0 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。運用Excel 軟件繪制不同綠地類型碳通量、土壤溫濕度的年變化、日變化趨勢曲線；用單因素方差分析法（LSD 法）判斷不同綠地類型、不同月份的土壤碳通量、土壤溫度、土壤濕度之間的差異（P＜0.05）；利用Pearson 相關系數(shù)對土壤碳通量與各環(huán)境因子之間進行相關分析（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同綠地類型土壤碳通量、溫濕度年際變化

從圖2-a 中可以看出，6 個綠地土壤碳通量具有分明的年際動態(tài)變化特征（P＜0.05），均呈濕季（5 月至10 月）高于干季（11 月至次年4 月）的不規(guī)則單峰曲線，且濕季土壤碳 通 量 變 化（1.94～9.76 μmolm-2s-1） 較 干 季（0.34～3.98 μmolm-2s-1）明顯。濕季監(jiān)測期內(nèi)，土壤碳通量大約在8 月份時呈現(xiàn)一個較低值。土壤碳通量與土壤溫度、大氣溫度呈極顯著正相關（P＜0.01,表1）。各類型綠地的土壤碳通量最大值出現(xiàn)在7—9 月（夏季），從10 月開始，隨月均溫度的下降，土壤碳通量呈現(xiàn)逐漸減少趨勢，次年1—2 月（冬季）達到最低值（圖2-a、2-b）。

圖2 廣州大學城不同綠地類型土壤碳通量、溫度和濕度年際變化Figure 2 Interannual variation of soil carbon flux, temperature and moisture in different green space types in Guangzhou university town

不同類型綠地土壤碳通量的差異顯著（P＜0.05， 圖2-a）。 受 人 工 養(yǎng) 護 多 的 文 教 區(qū)綠 地（5.33±2.90 μmolm-2s-1）、 道 路 綠 地 內(nèi)環(huán)（3.96±2.50 μmolm-2s-1） 和 道 路 綠 地 外 環(huán)（3.74±2.22 μmolm-2s-1）土壤碳通量顯著高于其他綠地類型。其中受人類干擾影響最多的居住區(qū)綠地土壤碳通量（1.70±1.10 μmolm-2s-1）顯著低于其他綠地類型。

監(jiān)測期內(nèi)6 個城市綠地土壤溫度在年內(nèi)存在明顯的季節(jié)變化（P＜0.05，圖2-b），呈和緩的單峰曲線趨勢。8 月（28.57±1.12 ℃）、7月（28.40±1.16 ℃） 和6 月（28.32±1.16 ℃）各綠地類型土壤溫度顯著高于其他月份，2 月（16.77±0.54 ℃）和1 月（16.14±1.15 ℃）土壤溫度顯著低于其他月份。土壤溫度與大氣溫度呈極顯著正相關（P＜0.01，表1），與氣壓呈極顯著負相關（P＜0.01,表1）。不同綠地類型的土壤溫度變化無顯著差異 (P＞0.05)。

6 個綠地土壤濕度的年變化趨勢相似（P＞0.05， 圖2-b）。 在10 月 至 次 年1 月 期間，土壤濕度處于谷值。生產(chǎn)綠地的土壤濕度（0.16±0.10 %）顯著低于其他綠地類型。土壤濕度與大氣相對濕度呈極顯著正相關（P＜0.01,表1），與氣壓呈極顯著負相關（P＜0.01,表1）。

2.2 不同綠地類型土壤碳通量干濕季日變化特征

監(jiān)測期內(nèi)6 個綠地土壤碳通量干濕季日變化趨勢不一致，濕季時各綠地類型的土壤碳通量（2.04～9.76 μmolm-2s-1，圖3-a）明顯高于干季（圖3-b，0.23～2.78 μmolm-2s-1）。不同綠地類型土壤碳通量在濕季和干季的日變化特征差異顯著（P＜0.05，圖3）。

濕季時，土壤的碳通量日變化沒有明顯的變化趨勢（圖3-a）。濕季文教區(qū)綠地（7.88±0.92μmolm-2s-1） 和 道 路 中 環(huán) 綠 地（7.14±0.90μmolm-2s-1）土壤碳通量顯著高于其他綠地類型。濕季土壤碳通量與土壤溫度和氣壓呈極顯著正相關（P＜0.01，表1），與大氣溫度、土壤濕度不相關（P＞0.05，表1）。

干季時，土壤的碳通量日變化沒有明顯的變化趨勢（圖3-b）。干季生產(chǎn)綠地（2.29±0.37μmolm-2s-1） 和 道 路 外 環(huán) 綠 地（2.20±0.31μmolm-2s-1）土壤碳通量顯著高于其他綠地類型。干季土壤碳通量與土壤濕度、大氣相對濕度呈顯著負相關（P＜0.05，表1），與大氣溫度、土壤溫度不相關（P＞0.05，表1）。濕季（2.89±0.43μmolm-2s-1）和干季（0.35±0.07 μmolm-2s-1）居住區(qū)綠地土壤碳通量均顯著低于其他綠地。

圖3 廣州大學城不同綠地類型土壤碳通量日變化特征Figure 3 Diurnal variation of soil carbon flux in different green space types in Guangzhou university town

2.3 土壤碳通量與環(huán)境因子的關系

據(jù)表1 可知，土壤碳通量在濕季時與土壤溫度呈極顯著正相關（P＜0.01），而在干季時土壤碳通量與土壤濕度呈顯著負相關（P＜0.05）。土壤碳通量與大氣溫度呈極顯著正相關，與氣壓呈極顯著負相關（P＜0.01）。干濕季的大氣相對濕度均與大氣溫度呈極顯著負相關（P＜0.01）。

表1 土壤碳通量與環(huán)境因子的相關分析Table 1Correlation analysis between soil carbon flux and environmental factors

2.4 土壤理化性質分析

不同綠地類型的土壤理化性質如表2 所示。研究表明，公園綠地、生產(chǎn)綠地土壤呈酸性，中環(huán)道路綠地、文教區(qū)綠地、居住區(qū)綠地土壤呈堿性。公園綠地和居住區(qū)綠地的土壤微生物量明顯低于其他綠地。土壤碳通量與0～10 cm 土壤C、微生物總量呈正相關，與田間持水量呈負相關（表2）。

表2 不同綠地類型土壤理化性質Table2 Physical and chemical properties of soil in different green space types

3 結論與討論

城市綠地土壤碳通量具有明顯的季節(jié)變化，均呈濕季顯著高于干季的單峰曲線，且土壤碳通量的最大值出現(xiàn)在夏季，最小值出現(xiàn)在冬季（圖2-a）。這與同類氣候類型其它相關研究結果基本一致[14,18]。土壤碳通量的季節(jié)變化主要受研究區(qū)域外部環(huán)境條件如土壤溫濕度、植物的生長、土壤有機碳含量、土壤微生物活性、大氣微氣候因子等因素的影響。

土壤溫度影響土壤碳通量的作用機制是通過調(diào)節(jié)土壤中的微生物及植物呼吸酶的活性來實現(xiàn)，在一定程度上土壤氣溫的上升能促進植物呼吸酶和土壤微生物的活性[19]。在本研究中，夏季土壤碳通量顯著高于冬季，這是由于夏季時土壤溫度較高，加強植物根系代謝，微生物較為活躍，促進土壤碳通量；當冬季時土壤溫度較低，土壤微生物數(shù)量少、豐度小，其活躍程度也受到抑制，導致土壤碳通量下降[20]。土壤濕度可以直接影響植被根系的生長、微生物的活性，也可以間接影響氧氣和底物的擴散運輸[21]。本研究發(fā)現(xiàn)濕季土壤碳通量與土壤濕度不相關（P＞0.05），而干季時與土壤濕度呈顯著負相關（P＜0.05），取代土壤溫度，成為最關鍵的影響因子，與Arredondo 等[22]的研究結果一致，這是由于在干燥的季節(jié)，土壤含水量以及降水情況會限制土壤碳排放。

一般而言，土壤溫度與土壤濕度共同影響土壤碳通量，解釋了土壤碳通量變化的70%～97%[23]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤碳通量變化與土壤溫度的變化趨勢是一致的（圖2-a、2-b），全年土壤碳通量與土壤溫度呈現(xiàn)極顯著正相關（P＜0.01），而與土壤濕度不相關（P＞0.05），與Wei 等[24]的研究結果一致。這表明調(diào)控廣州大學城綠地土壤碳通量季節(jié)變化的主要影響因子是土壤溫度。此外，城市綠地土壤的熱量和水分條件通常是彼此相互影響和作用的，還伴隨著多個環(huán)境因子的協(xié)同作用。

大氣溫度主要先作用于土壤表面，再逐步將熱量傳遞到土壤下層，影響土壤微生物、植物根系等的碳通量，使碳通過土壤孔隙排放到大氣中[25]。本研究中大氣溫度與土壤碳通量呈極顯著正相關（P＜0.01），這也表明了大氣溫度間接地影響土壤碳通量。土壤碳通量在干季時與大氣相對濕度呈現(xiàn)顯著負相關，這與趙哈林[26]、朱宏[27]等人的研究結果相一致。濕季監(jiān)測期內(nèi)，土壤碳通量大約在8 月份時呈現(xiàn)一個較低值，Epron[28]、吳亞華[15]等人也有相似的發(fā)現(xiàn)，這是由于在降水頻率較高，降水量、降水強度不均勻等降水格局的影響下，土壤碳通量或受抑制、或受促進、或沒有影響[28]，因而在濕季時表現(xiàn)出波動的趨勢。

監(jiān)測期內(nèi)，干濕季土壤的碳通量日變化均沒有明顯的變化趨勢，均與大氣溫度不相關，與胡進耀[30]、Capek[31]等人的研究結果不一致。土壤碳通量日變化動態(tài)特征與測定季節(jié)、土壤類型等有關，溫度變化幅度對土壤碳通量作用變化產(chǎn)生重要影響[25]。結合實際可知，廣州大學城地處南亞熱帶，具有溫暖多雨、溫差較小等氣候特征，且本研究僅在8：00 至20:00 時進行監(jiān)測，無法說明全日晝夜大氣溫度對土壤碳通量的影響。

土壤碳通量是一種復雜的生物學過程, 受到非生物因子和生物因子的綜合影響[9,32]。不同城市綠地類型土壤碳通量的差異顯著（P＜0.05），與梁晶等的研究結果相似[33]。土壤微生物是土壤有機質和土壤養(yǎng)分轉化和循環(huán)的動力[34]，在一定程度上支配著通過土壤碳通量所進行的C 釋放。充足的碳源有利于土壤微生物活性及微生物量的增加[35]，有機肥料和化學肥料的施用能夠改變或增加土壤營養(yǎng)元素及有機碳的含量，激發(fā)土壤微生物的活性，提高地表根系的碳通量，進而促進土壤CO2的產(chǎn)生與排放[10,36]。本研究中土壤碳通量與0～10 cm 土壤C、微生物總量呈正相關，而0～10 cm 土壤C、微生物總量較高的文教區(qū)綠地、道路綠地（中環(huán)、外環(huán)）和生產(chǎn)綠地土壤碳通量顯著高于其他綠地類型（表1）。結合實際可知，文教區(qū)綠地、道路綠地（中環(huán)、外環(huán)）有綠化養(yǎng)護工人進行肥料噴撒，生產(chǎn)綠地有農(nóng)戶精心照料，而公園綠地和居住區(qū)綠地則受人為干擾影響較大，二者的人流量都較大，有較為明顯的土壤壓實、土壤物理退化現(xiàn)象。這也表明定期對城市綠地進行養(yǎng)護有利于增加土壤碳通量。不同的土地利用方式通過對地表植被、土壤滲透性、土壤有機質含量等因子的影響間接作用于土壤碳通量[37]。研究發(fā)現(xiàn)干濕季居住區(qū)綠地土壤碳通量均顯著低于其他綠地，與陶曉等[10]的研究結果相似，其可能是由于居住區(qū)綠地監(jiān)測期內(nèi)受綠化整改計劃影響，大部分時間以裸地為主，改變了土壤微生物和根系的生活空間，從而抑制土壤CO2的產(chǎn)生。本研究結果表明，濕季時文教區(qū)綠地和道路中環(huán)綠地土壤碳通量顯著高于其他綠地類型，而干季時生產(chǎn)綠地和道路外環(huán)綠地土壤碳通量顯著高于其他綠地類型，這說明時間不同，土壤碳通量的影響因子不同，影響因素的主成分就會有所不同[38]。有研究表明，土壤溫度、土壤濕度等因子在時空上的變異會受植被類型、植被覆蓋度不同等的影響[39-40]，而本研究在樣地選取上并沒有消除植被類型對土壤碳通量的影響。因此今后關于不同綠地類型土壤碳通量的研究中，應選取相同植被類型的樣地進行監(jiān)測，以便進一步研究土壤碳通量的影響機制。

本研究通過對廣州大學城公園綠地、道路防護綠地（中環(huán)、外環(huán)）、文教區(qū)綠地、居住區(qū)綠地、生產(chǎn)綠地等5 種不同功能綠地土壤碳通量、溫濕度和土壤理化性質的測定，研究發(fā)現(xiàn)：（1）從季節(jié)尺度上看，廣州大學城綠地土壤呼吸速率具有明顯時間動態(tài)節(jié)律性，濕季和夏季時各綠地類型的土壤碳通量顯著高于干季和冬季；（2）調(diào)控廣州大學城綠地土壤碳通量季節(jié)變化的主要影響因子是土壤溫度，同時伴隨著多個環(huán)境因子的協(xié)同作用；（3）廣州大學城不同城市綠地類型的土壤碳通量對環(huán)境因子的響應特征存在差異。定期對城市綠地進行養(yǎng)護促進土壤碳通量的增加。